Space Power Systems
Vorlesung Space-P bei Dr. Schmiel der TU Dresden
Vorlesung Space-P bei Dr. Schmiel der TU Dresden
Kartei Details
| Karten | 79 |
|---|---|
| Lernende | 19 |
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Technik |
| Stufe | Grundschule |
| Erstellt / Aktualisiert | 20.02.2018 / 16.02.2025 |
| Weblink |
https://card2brain.ch/box/20180220_space_power_systems
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4.5 Was ist eine Multi-Junction-Solarzelle? Nennen sie eine Vor- und einen Nachteil für den Einsatz im Weltraum!
Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr Solarzellen mit verschiedenem Material, die monolithisch übereinander geschichtet sind. Zweck dieser Anordnung ist es, den Wirkungsgrad der gesamten Anordnung zu erhöhen, indem ein größerer Anteil des Lichtspektrums genutzt werden kann.
Vorteil: höherer Wirkungsgrad
Nachteil: Schichtung kann sich lösen, höhere Masse im Verhältnis zum Energiegewinn
4.6 Warum wird meist KApton zwischen den Solarzellen und der Wabenstruktur des Panels eingesetzt?
Hitzebeständigkeit, geringen Ausgasung, Strahlungsbeständigkeit und Isoliereigenschaften
4.7 Wis ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle definiert?
Der Wirkungsgrad "eta" einer Solarzelle ist das Verhältnis der von ihr erzeugten elektrischen Leistung Pe und der Leistung der einfallenden Strahlung Ps.
4.8 Was ist der Füllfaktor einer Solarzelle und warum wird dieser betrachtet?
- Verhältnis maximale Leistung zum Produkt aus Leerlaufspannung mit
Kurzschlussstrom. - Maß für die Güte einer Solarzelle
4.11 Wie verschalten sie für vorgegebene Leistungs- Strom - und Spannungsdaten die Solarzellen?
Spannung --> SZ in Reihe als Zellenstrang
Strom --> Stränge paralell zu Modulen
4.12 Welche Besonderheit müssen sie bei der Reihenschaltung von Solarzellen beachten?
Fällt eine aus --> Widerstand unendlich
Überbrückungsschaltungen
4.13 Nennen und erläutern sie die zwei Arten der Solarvektornachführung!
Einachsennachführung
- Nachführung im Alpha-Winkel (folgt Sonne von Ost nach West
Zweiachsennachführung
- zusätzlich beta Winkel (deklination), selten genutzt
4.15 Welche Umwelteinflüsse führen zu einer Degradation der Solarzelle?
Strahlung (UV, Partikel), Atomarer Sauerstoff, Feuchtigkeit
4.16 Welche Einflüsse bewirken eine Reduzierung des Wirkungsgrades?
Temperatur, degradation
5.1 Welchen Vorteil haben eletrochemische Wandler prinzipiell zu thermomechanischen Wandlern?
Wesentlich höhere Wirkunsgrade, keine bewegten Teile.
5.2 Worin Unterscheiden sich konventionelle und unkonventionelle Galvanische Elemente?
- Bei konventionellen Elementen sind reagierende Stoffe chemisch an Elektrode gebunden --> Elektrode wird verbraucht
- Bei unkonventionellen galvanischen elementen wird der Stoff zur Elektrode geführt --> kein abbau der Zelle, aber eine Art Tank und Stofführung von nöten
5.3 Wann würden sie a) Primärbatterien und b) Sekundärbatterien einsetzen
a) Kurze Missionsdauer, Hauptenergiequelle
b) Als Speicherelement für Energie für Schattenphasen --> lange Missionsdauer
5.4 Nennen sie mindestens 10 Systembedingte Auswahlkriterien für elektrochemische Wandler!
- Kapazität
- Min. und Max. zuässige Lade bzw. Entladerate
- Selbstenladungsraten
- Massenspezifische Energiedichte
- Massenspezifische Leistungsdichte
- Volumenspezifische Energiedichte
- Volumenspezifische Leistungsdichte
- Lade und Entladeverhältnis
- Lebenszeit
- Operation/Non-operation Temperature
- Handling
- Safety-Kriterien
5.5 Nenne sie mind. 5 Arten von Brennstoffzellen! worin unterscheiden hinsichtlich dem Ionentransport, der Brennstoffe, der Systemwirkungsgrade und dem Entwicklungsstand?
- Alkalische BZ (Brennstoffe: reinst. Wasser und Sauerstoff, Wirkungsgrad: 62%)
- Membran BZ (Brennstoffen: Wasserstoff und Sauerstoff/Luft, Wirkungsgrad: 43-50%)
- Direkt-Methanol BZ (Brennstoffe: Methanol und Sauerstoff/Luft, Wirkungsgrad: 20-30%)
- Phosphorsäure BZ (Brennstoffe: Wasserstoff und Sauerstoff/Luft, Wirkungsgrad: 40%)
- Karbonschmelzen BZ (Brennstoffe: Erd-kohle-Biogas/Wasserstoff und Sauerstoff/Luft, Wirkungsgrad: 65%)
- Oxidkeramische BZ (Brennstoffe; Erd-kohle-Biogas/Wasserstoff und Sauerstoff/Luft, Wirkungsgrad: 60-65%)
5.6 Welche Elektrochemischen Vorgänge finden in der galvanischen Kette Statt?
- Gastransport von Tank zum Gasraum
- Diffusion in die Porenstruktur
- Lösungsvorgang in Elektrolyt
- Adsorption an Katalysator
- Dissoziation der Moleküle
- Ladungsdurchtritt
- Ionendiffusion durch Diaphragma
- Ladungsdurchtritt
- Rekombination
- Desorption von der Kat. Oberfläche
- Ausgasen aus Elektrolyt
- Diffusion in den Gasraum
- Konvektiver Transport aus der Zelle
1.1
Welche Energiequellen können für folgende Szenarien primär zum Einsatz kommen? Nennen sie jeweils einen Grund!
a) Satellit, 100W Durchschnittsleistung, t=72h
b) Satellit, 800W Durchschnittsleistung, t=5a
c) Interplanetare Sonde, elektrisches Triebwerk, t>5a
d) Interplanetares bemanntes Raumfahrzeug, 200kW Durschnittsleistung, t>2a
e) Transferfahrzeug Erde - LEO-Raumstation
a) Primärbatterie, geringe Leistung, kurze Missionsdauer, hohe Energiedichte
b) Photovoltaisch, mittlere Leistung, lange Missionsdauer.
c) Radioisotopengenerator, geringe Leistung, lange Dauer, keine Abhängigkeit von Sonne
d) Nuklear, sehr hohe Lesitung, lange Missionsdauer. Sicherheitsprobleme
e) Primärbatterien/Brennstoffzellen, kurze Mussionsdauer
1.2. Welche der folgenden Subsysteme benötigt elektrische Energie? Nenne jeweils einen elektrischen Verbraucher!
- Structure and Mechanisms
- Attitude & Orbit Control
- Propulsion
- Communication
- Command & Data Handling
- Electrical Power
- Thermal Control
- Payload
- Environmental Control & Life Support
- Extra Vehicular Activity
- Bewegen von Klappen/Solarpanelen/Radiatoren.
- Elektrische Stelltriebwerke, Sensorik
- Elektrische Triebwerke, Schunbvektorkontrolle
- Transmitter
- Rechenleistung
- Transformatoren, Wirkungsgrade beim Wandeln?
- Heizer/Peltierelemente
- Sensoren, Experimente, Aktoren
- Sensoren, Aifbereitung Luft/Wasser
- Launch des Vehikels, Kommunikation
1.3.1 Erläutere Exergie!
Exergie bezeichnet den Teil der Gesamtenergie eines Systems, der Arbeit verrichten kann, wenn dieses in das thermodynamische (thermische, mechanische und chemische) Gleichgewicht mit seiner Umgebung gebracht wird.
Exergie + Anergie = Energie = const., Anteile können sich jedoch verändern
Exergie wird zu Anergie, wenn sie Arbeit verrichtet
1.3.2 Erläutere das Masse-Energie-Äquivalent
Es besagt, dass die Masse m und die Ruheenergie E eines Objekts zueinander proportional sind:
E=mc^2
Die Masse eines Atomkerns ist aufgrund der freigesetzten Bindungsenergie kleiner als die Summe der Massen seiner Bestandteile
1.3.3 Erläutere Radioisotop!
Ein chemisches Element wird über die Protonenzahl im Atomkern definiert. Atomkerne, die bei gleicher Protonenzahl eine verschiedene Anzahl von Neutronen besitzen, sind sogenannte Isotope des selbogen chemischen Elements
Die Isotope die Instabil sind, also einem radioaktivem Zerfall unterliegen, sind Radioisotope
1.4 Nennen sie 6 Aufgaben von / Anforderungen an Energiesysteme für RFZ.
- Dauerhafte Versorgung mit elektrischer Leistung über die Lebenszeit (Speicherbedarf)
- Regulieren und Verteilen Elektrischer Leistung zu den Komponenten des RFZ
- Bereitstellen von DC/DC oder DC/AC Wandlern
- Bereitstellen von Durchschnitts- und Spitzenlasten
- Bereitstellung von Housekeeping Daten
- Bereitstellung von redundanzen für sicherheitsrelevante Systeme
- Autonome und / oder ferngesteuerte Kontrolle des EPS
1.5 Nennen sie 4 mögliche Primärenergiequellen, die in der Raumfahrt zur Verfügung stehen. Geben sie jeweils eine Möglichkeit der Wandlung zu elektrischer Energie an!
- Solarenergie - Photovoltaisch, Konzentrator
- Nukleare Energie - Reaktoren, RTG
- Gespeicherte Energie - Chemisch (Batterien), Mechanisch (Momentenräder)
1.6 Erläutern sie den Unterschied zwischen einem Thermoionischen und einem Thermoelektrischen Wandler!
Thermoionischer Wandler
- Elektrode wird so stark erhitzt (1500-2000K), dass sie thermisch Elektronen abgibt
- Kalte Elektrode fängt Elektronen auf --> Stromfluss
- Spannungen 0,5-1V, einige Ampere pro cm^2 elektrodenfläche
Thermoelektrtischer Wandler
- basiert auf Seebeck Effekt
- p und n dotierte HAlbleitermaterialien werden so verbunden, dass Kontaktstellen abwechselnd heiß und kalte Kontaktstellen vorkommen sowie der Strom nur in eine Richtung fließt.
1.7 Nennen sie 5 verschiedene Möglichkeiten der Energiespeicherung
- Batterien
- Reversible Brennstoffzellen
- Momentenräder
- Elektrische Kapazitäten
- Thermische Kapazitäten
1.8 Nennen sie 5 Kriterien für die Auswahl eines chemischen Energiespeichers!
- Energiedichte
- Lade-Entlade Zyklen
- Ladeeffizienz
- Nominalspannung
- Temperaturspanne
1.9 Nenne die vier Untersysteme eines Energiesystems und zeigen sie anhand einer Skize den Leistungsfluss!
- Einheit zur Energieumwandlung/Leistungserzeugung
- Leistungsregulierende Einheit
- Leistungsverteilende Einheit
- Energiespeicher
1.11 Was Verstehen sie unter dem BOL/EOL - Faktor
Maß für die Degradation der Eneriequelle. Beschreibt die bereitstellbare Leistung zum Beginn der Mission im Verhältniss zum Ende der Mission
1.12 Si-Solarzellen erfahren im GEO - Orbit in 6 Jahren eine Degradation von ca. 20%. Berechnen sie den BOL/EOL Faktor!
EOL=(1-0,2)*BOL
BOL/(0,8*BOL)=1,25
1.13 Ein Satellit mit einem IR - Spektroskop, welches stets zum NADIR ausgerichtet sein soll, befindet sich im geostationären Orbit. Welche 3 grundsätzlichen Möglichkeiten gibt es, Solarzellen an diese Satellitenstruktur anzubringen? Nenne Vor- und Nachteile hinsichtlich projizierter Solarzellenfläche, Eigenenergie- und Massenbedarf und Lageregelung
Körperfestes Solarpanel
+ keine Nachführung
- teilweise schlecht Einfallswinkel der Sonne --> Speichermöglichkeiten
Drehbar gelagertes Solarpanel
+ immer perfekte Ausrichtung zur Sonne
- zusätzliche Struktur --> Massenzunahme
- Nachführung verbraucht Energie
- mechanische bewete Teile --> Fehleranfällig
- Bewegen der Panels erzeugt Moment --> ausgleichen durch AOC
externe Flächen der Satellitenstruktur
+ keine Gelenke/Flexiblen Strukture
+ keine zusätzliche Struktur
+ Energiebeadrf von alpha/beta Nachführng kann Vorteile von 2 aufwiegen
- Teile der Solarzellen immer im Schatten
- Maximale Leistung durch Satelliten - Fläche begrenzt
1.14 Was verstehen sie unter Apha - und Beta - Nachführung eines Solarpanels?
Kippen des Solarpanels so, dass Sonnestrahlung möglichst rechtwinklig auf es eintrifft.
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